有限壁厚充液管柱状声波导结构中对称模式波的传播特性研究

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随着我国经济高速发展,对油气资源的需求持续增长,国内各大石油企业与世界相关行业巨头在全球范围内对油气资源开展竞争,这种竞争主要表现在对油气资源储量的控制、勘探技术和开发成本等方面。测井技术作为油气资源勘探和评价的重要手段,其技术和装备的竞争也日趋加剧。近年来,西方发达国家已开始对我国实行技术封锁和垄断,不再向我国出口高端测井技术装备。在这样的背景下,加大测井技术装备的自主研发力度显得尤为迫切。  声波测井是重要的测井技术之一,在油田有着广泛的应用,如划分岩性、估计地层孔隙度和渗透率、预测地应力和地层各向异性、识别气层等。目前,国内不断在声波测井仪器装备(如多极子阵列声波测井仪)自主研发方面取得突破,急需对这些仪器进行可靠的测试和标定。因此,构建行业标准的声波测井刻度井,开展声波测井仪器的标准刻度和标定,并建立石油行业测井声速量值溯源传递体系,具有重要的现实意义和很强的应用背景。  本文在前人工作的基础上,针对管柱状波导结构刻度井,详细研究了居中单极子声源激发的对称模式波的传播特性。  首先,通过牛顿迭代法求模型的解频散方程,将充液有限壁厚管柱状声波导中对称模式波的频散曲线与两个独立波导——流体柱和真空中的空心圆柱管中的频散曲线进行对比分析,研究了频散曲线中“平台”特征与模型的声学参数和几何参数之间的关系。在上述工作基础上,对充液管柱状声波导中的位移在径向上的分布特征进行了计算和分析。最后,将实体仪器在管柱状声速刻度井中的实验测量结果与理论模拟结果进行了对比,相互验证了各自的准确性。  数值结果表明:充液有限壁厚管柱状声波导中的对称模式波受到流体柱与空心圆柱管的耦合作用,在高阶模式的频散曲线中出现“平台”现象;“平台”的速度与空心圆柱管中第二阶模式的“平台”速度相对应,“平台”的宽度与刚性壁流体柱中相邻两个模式截止频率相对应;“平台”速度与管材纵波波速的差异主要受到管材泊松比的影响,圆柱管的内径、外径以及流体声速则对“平台”的宽度产生影响;;流体柱的声阻抗则影响着其与管材的耦合强度,流体柱的声阻抗越小(与管材的声阻抗差值越大),“排斥”效应越小,耦合强度也越小。此外,充液有限壁厚管柱状声波导中各对称模式波的位移径向分布特征与频率紧密相关,当所取的频率值落在频散曲线中靠近流体柱中的频散曲线的区域时,液体中的位移幅度要明显大于管壁中的位移幅度;当所取的频率值落在频散曲线中靠近空心圆柱管中的频散曲线的区域时,管壁中的位移以轴向位移为主,径向位移明显小于轴向位移。  最后,在内外都充液的实际圆管刻度井中开展了测试实验,所测得的时域首至波波速与理论模拟基本一致,从而验证了数值模拟的正确性,也验证了新型圆管刻度井的可行性。
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